調頻連續波激光探測技術 暢銷書籍 正版 趙繼廣,杜小平,曾朝陽 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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趙繼廣，杜小平，曾朝陽 著

圖書標籤:

• 調頻連續波激光
• 激光探測
• 光縴激光器
• 相移測量
• 距離測量
• 氣體檢測
• 工業測量
• 精密測量
• 趙繼廣
• 杜小平

店鋪： 智勝圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118099331

商品編碼：29797494628

包裝：平裝

齣版時間：2015-04-01

基本信息

商品名稱：	調頻連續波激光探測技術 暢銷書籍 正版	開本：
作者：	趙繼廣,杜,曾朝陽	頁數：
定價：	65.00元	齣版時間：	2015-04-01
ISBN號：	9787118099331	印刷時間：
齣版社：	防工業齣版社	版次：	1
商品類型：		印次：

插圖目錄內容提要本書緊密結閤復雜戰場環境對激光探測係統在探測精度、抗乾擾性能方麵的軍事需求，在綜閤分析、比較外相關領域發展的基礎上，將微波雷達中調頻連續波探測技術與激光測距技術相結閤，係統介紹瞭一種新體製激光近距離探測技術--調頻連續波激光探測技術，該技術在近距離具有定距精度高、抗乾擾能力強等優點。編輯推薦作者介紹

調頻連續波激光探測技術：理論、方法與應用 概述 調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）激光探測技術，作為一項集高精度、高分辨率、非接觸式測量於一體的先進傳感技術，在現代科學研究和工業應用中占據著舉足輕重的地位。它通過發射頻率隨時間綫性調製的連續激光束，並接收目標反射迴來的激光信號，進而通過測量激光信號的頻率差來精確測定目標的距離、速度甚至形貌。這種技術突破瞭傳統測量方法的局限，在諸如高精度測距、速度測量、三維成像、環境監測、自動駕駛、工業自動化等眾多領域展現齣巨大的應用潛力。 核心原理 FMCW激光探測技術的核心在於其獨特的信號調製方式和精密的信號處理算法。 1. 頻率調製： 發射端激光器輸齣的激光光束，其頻率不是恒定的，而是按照一個預設的規律隨時間進行綫性變化，即“調製”。最常見的調製方式是三角波調製，即激光頻率先綫性升高（上掃），再綫性降低（下掃），周而復始。 2. 迴波信號： 當調製激光束照射到目標物體上時，一部分激光會被反射迴來，形成迴波信號。由於激光在傳播到目標並返迴的過程中需要一定的時間，而這段時間內激光的發射頻率已經發生變化，因此，接收到的迴波信號的頻率會比當前發射的激光頻率低（或者高，取決於頻率調製的方嚮）。 3. 拍頻（Beat Frequency）： FMCW探測器將接收到的迴波信號與一部分本地參考信號（通常是當前發射激光的一部分）進行混閤。這個混閤過程會産生一個“拍頻”信號，其頻率是迴波信號頻率與參考信號頻率之差。 4. 距離與速度的測量： 距離： 在三角波調製的上掃（或下掃）階段，目標與探測器之間的距離決定瞭迴波信號的頻率偏移量。因為頻率偏移與傳播時間成正比，而傳播時間又與距離成正比，所以拍頻信號的頻率直接反映瞭目標與探測器之間的距離。假設激光的調製斜率是 $S$，光速是 $c$，那麼目標距離 $R$ 可以通過測量拍頻頻率 $f_{beat}$ 來計算： $$R = frac{c cdot f_{beat}}{2S}$$ 速度： 在連續的三角波調製周期中，如果目標在移動，那麼在上掃階段和下掃階段，由於多普勒效應，迴波信號的頻率會産生一個額外的偏移。這個額外的偏移量與目標的徑嚮速度成正比。通過測量上掃和下掃階段的拍頻頻率差，可以精確地計算齣目標的徑嚮速度 $v$： $$v = frac{c cdot (f_{beat,up} - f_{beat,down})}{4f_0S}$$ 其中 $f_0$ 是激光的中心頻率。 關鍵技術組成 要實現高效、準確的FMCW激光探測，需要集成多個關鍵技術組件： 1. 激光器： 光源選擇： 激光器的選擇直接影響到係統的性能。通常需要具備高穩定性、窄綫寬、良好的功率可調性以及能夠進行快速頻率調製的特點。半導體激光器（如DFB激光器）因其體積小、功耗低、易於調製而成為主流選擇。 頻率調製能力： 激光器的驅動電路和腔體結構需要支持快速、精確的頻率掃描。這通常通過改變激光器注入電流或外加電場來實現。 2. 光學係統： 發射光學： 負責將激光束以所需的光束質量聚焦或準直，並將其導嚮目標。 接收光學： 收集目標反射迴來的激光信號，並將其聚焦到探測器上。這包括透鏡、反射鏡等。 光束閤束與分束： 實現將發射光的一部分作為參考信號，與迴波信號進行混閤，這是FMCW探測的關鍵。通常使用分束器（Beam Splitter）來完成。 3. 光電探測器： 類型： 需要能夠響應激光信號並將其轉換為電信號的探測器。常見的光電探測器包括PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。APD因其內部增益效應，對微弱的反射信號有更高的靈敏度，常用於遠距離探測。 帶寬要求： 探測器的帶寬需要足夠高，以能夠處理高頻的拍頻信號，從而保證測量精度。 4. 信號處理單元： 模數轉換（ADC）： 將探測器輸齣的模擬電信號轉換為數字信號，以便進行後續的計算處理。ADC的采樣率和分辨率對測量精度至關重要。 數字信號處理（DSP）/中央處理器（CPU）： 核心的計算部分。通過快速傅裏葉變換（FFT）等算法，從拍頻信號中提取頻率信息，進而計算齣距離和速度。 濾波與去噪： 原始迴波信號可能包含噪聲，需要進行濾波處理以提高信噪比。 算法優化： 針對不同的應用場景，需要開發和優化相應的信號處理算法，以提高測量精度、魯棒性和抗乾擾能力。例如，相位展開算法、雜波抑製算法等。 關鍵性能指標 FMCW激光探測係統的性能主要體現在以下幾個方麵： 1. 測量範圍（Range）： 係統能夠測量的最大距離。這通常受限於激光器的功率、接收光學係統的效率、探測器的靈敏度以及環境噪聲水平。 2. 測量精度（Accuracy）： 係統測量值與真實值之間的偏差。精度受到激光器頻率穩定性、調製精度、拍頻頻率測量精度以及信號處理算法的影響。 3. 測量分辨率（Resolution）： 係統能夠區分的最小距離差或最小速度差。分辨率受限於係統的工作帶寬以及信號處理算法的能力。 4. 測量速度（Update Rate）： 係統每秒能夠完成的測量次數。這對於實時性要求高的應用至關重要。 5. 角分辨率（Angular Resolution）： 對於二維或三維成像係統，指係統區分相鄰目標的能力，這與光學係統的孔徑和激光的波長有關。 6. 魯棒性（Robustness）： 係統在復雜環境（如光照變化、目標錶麵特性差異、運動目標等）下的穩定性和可靠性。 技術優勢與挑戰 優勢： 高精度與高分辨率： 相較於傳統的時間飛行（Time-of-Flight, ToF）激光雷達，FMCW技術能夠實現更高的距離和速度測量精度，尤其在近距離和小速度差測量方麵錶現突齣。 非相乾測量： FMCW技術本質上是一種非相乾測量技術，這意味著它不易受到目標錶麵光學特性的影響（如反射率、粗糙度），對各種材質的目標都有較好的測量能力。 直接速度測量： 能夠同時獲得目標的距離和徑嚮速度信息，這是ToF技術所不具備的。 抗乾擾能力： 通過對接收信號的頻譜分析，可以有效抑製來自其他激光器或環境光源的乾擾。 低功耗與小型化： 隨著半導體激光器和集成光電子技術的發展，FMCW係統有望實現低功耗和小型化，易於集成到各種平颱。 挑戰： 復雜的光學和電子設計： 實現高精度頻率調製和拍頻信號處理需要精密的器件和復雜的電路設計。 對激光器穩定性要求高： 激光器的頻率穩定性直接影響測量精度。 信號處理的計算量： 為瞭達到高精度，需要復雜的信號處理算法，對計算能力有一定要求。 調製非綫性問題： 實際的激光器頻率調製可能存在非綫性，需要進行補償。 多目標區分： 在存在多個反射目標的情況下，如何有效地將拍頻信號分解並區分不同目標的距離和速度，是一個需要深入研究的問題。 應用領域 FMCW激光探測技術憑藉其獨特的優勢，已經在眾多領域展現齣廣闊的應用前景： 1. 自動駕駛汽車： 提供高精度的前方障礙物距離、相對速度信息，以及周圍環境的三維地圖構建，提升車輛的安全性和導航能力。 2. 機器人導航與避障： 為機器人提供精確的環境感知能力，使其能夠自主導航、識彆障礙物並安全避讓。 3. 工業自動化與測量： 生産綫上的尺寸檢測與定位： 實現高精度、非接觸式的工件尺寸測量和定位，提高生産效率和産品質量。 設備狀態監測： 監測鏇轉設備（如風扇、渦輪）的轉速和振動，進行故障預警。 倉儲管理： 測量貨架高度、物品位置，優化庫存管理。 4. 測繪與地理信息： 無人機（UAV）搭載測繪： 用於地形測繪、地物識彆、三維建模等。 地質勘探與監測： 測量地錶形變、滑坡監測等。 5. 智能交通係統： 交通流量監測： 實時監測車速、車距，優化交通流。 違章監測： 檢測超速等交通違章行為。 6. 環境監測： 風速風嚮測量： 測量大氣中的風速和風嚮，用於氣象預報和環境評估。 汙染物擴散監測： 追蹤煙塵或氣體擴散的軌跡和速度。 7. 安防監控： 入侵檢測： 監測特定區域的物體移動，進行異常行為分析。 無人機探測與跟蹤： 識彆和跟蹤潛在的非法無人機。 8. 生物醫學： 非接觸式生理參數監測： 測量呼吸頻率、心率等。 醫學影像： 用於某些成像應用。 未來發展趨勢 FMCW激光探測技術正處於快速發展階段，未來的發展趨勢主要體現在： 更高精度與分辨率： 通過優化激光器性能、改進調製方案和信號處理算法，進一步提升距離和速度的測量精度。 更寬的測量範圍： 研發更高功率的激光器，結閤更靈敏的探測器和更高效的光學係統，拓展係統的測量距離。 多功能集成： 將FMCW技術與其他傳感技術（如攝像頭、慣性傳感器）融閤，構建更強大的環境感知係統。 小型化與低成本化： 隨著MEMS（微機電係統）和集成光電子技術的發展，FMCW傳感器有望實現更小的體積和更低的成本，從而推廣到更廣泛的應用領域。 智能化與自主學習： 引入人工智能算法，使FMCW係統具備更強的自主學習和場景適應能力，實現更智能的物體識彆和行為分析。 可見光FMCW： 探索在可見光波段實現FMCW探測，這將為室內導航、人機交互等領域帶來新的可能性。 結論 調頻連續波（FMCW）激光探測技術以其卓越的測量精度、速度測量能力以及在復雜環境下的魯棒性，正日益成為現代高精度傳感領域的核心技術之一。隨著相關理論研究的深入和工程技術的不斷進步，FMCW激光探測係統將持續演進，並在自動駕駛、機器人、工業自動化、測繪等諸多關鍵領域發揮越來越重要的作用，為構建更智能、更安全、更高效的未來社會貢獻力量。

評分☆☆☆☆☆

這本關於先進微納光學器件設計與製造的專著，無疑是該領域的一部裏程碑式的作品。作者對錶麵等離子體共振（SPR）和局域錶麵等離子體共振（LSPR）的理論基礎進行瞭細緻入微的剖析，並詳細展示瞭如何利用這些效應來設計高靈敏度的生物傳感器。書中的仿真和建模部分非常詳盡，特彆是對有限元方法（FEM）在求解麥剋斯韋方程組時的具體應用步驟，提供瞭豐富的案例和代碼片段，這對於初學者快速上手仿真軟件至關重要。我特彆關注瞭書中關於超材料（Metamaterials）在控製電磁波方麵的新進展，作者不僅介紹瞭負摺射率材料的設計思路，還探討瞭其在隱身鬥篷和完美透鏡等概念性器件中的潛在應用，這部分內容極大地拓寬瞭我的思路。整本書的結構布局嚴謹，邏輯清晰，對於從事集成光學和光子芯片研發的工程師來說，絕對是案頭必備的工具書。

評分☆☆☆☆☆

這本書對大氣湍流中光束傳輸特性的研究，可謂是集大成者。它係統地梳理瞭經典的相乾光束模型，如高斯光束，並在湍流介質中逐步引入修正因子，解釋瞭光斑漂移、閃爍和波前畸變等現象的統計規律。作者在處理復振幅的空間和時間自相關函數時，采用瞭嚴謹的隨機過程理論，這使得對接收端信號噪聲比（SNR）的預測具有很高的準確性。我特彆喜歡它對比瞭不同補償技術（如自適應光學係統）的性能指標，特彆是對波前畸變的實時校正算法的性能評估，非常具有操作指導意義。對於從事自由空間光通信或激光雷達係統設計的人員而言，書中關於大氣摺射率譜模型（如科爾莫戈羅夫模型）的詳細介紹和參數選擇指南，是構建可靠鏈路預算的基礎。這本書的敘述風格沉穩而專業，對細節的把握達到瞭教科書級彆的高標準。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書中關於量子光學基礎的闡述感到非常滿意，它以一種非常直觀且易於接受的方式介紹瞭光子的偏振態、角動量以及光場與物質相互作用的基本原理。作者在講解貝爾不等式和量子隱形傳態等前沿話題時，巧妙地運用瞭類比和曆史發展脈絡，使得這些看似深奧的物理概念不再高不可攀。書中對相乾態、壓縮態這些非經典光態的描述尤為精彩，清晰地展示瞭它們在提高測量精度方麵的巨大潛力。對於那些希望從經典電磁學過渡到量子電動力學框架的讀者而言，這本書無疑是極佳的橋梁。此外，書中對光場測量技術，特彆是單光子探測器的性能指標和局限性的討論，非常貼閤當前實驗物理的研究熱點。我個人認為，這本書在建立讀者對量子信息領域直覺理解方麵，做得比許多同類型的教科書更為齣色，真正做到瞭理論與實際應用的完美結閤。

評分☆☆☆☆☆

我發現這本書在描述激光與材料相互作用的非熱效應方麵，提供瞭極其詳盡的機製分析。它沒有過多糾纏於傳統的吸收和散射理論，而是集中火力探討瞭飛秒激光在超快時間尺度上對半導體和金屬錶麵進行微納加工的物理過程。書中對電子-聲子耦閤、載流子弛豫時間和非綫性電離過程的動力學模型進行瞭深入的探討，這對於理解激光誘導的燒蝕閾值和等離子體産生有著關鍵作用。作者通過大量實驗數據的對比和分析，驗證瞭這些復雜模型在實際應用中的有效性。令我印象深刻的是，書中關於激光誘導擊穿光譜（LIBS）的原理及其在元素分析中的應用，提供瞭詳細的光譜信號采集、處理和定量分析的實用指南。對於從事材料改性、精密加工或激光安全領域的研究人員來說，這本書提供的深度見解是無價的，它真正挖掘瞭超快激光技術背後的物理精髓。

評分☆☆☆☆☆

這本書在處理光縴通信中的損耗和色散問題時，展現瞭非常深刻的見解。作者沒有停留在傳統的模型層麵，而是深入探討瞭非綫性效應如何影響長距離傳輸的信號完整性，尤其是四波混頻和自相位調製在密集波分復用係統中的耦閤作用。書中對這些復雜現象的數學推導詳實而嚴謹，即便是初次接觸這些高級概念的讀者，也能通過清晰的圖示和逐步的解析逐步理解其物理本質。更令人稱道的是，它並沒有局限於理論分析，而是緊密結閤瞭最新的實驗進展，比如高非綫性光縴的應用以及新型光縴的製備技術，這使得書中的知識體係非常具有前瞻性和實用價值。我尤其欣賞其中關於如何通過優化泵浦功率和調製格式來抑製信道間串擾的部分，這無疑為正在從事高速率光傳輸係統設計的人員提供瞭寶貴的參考藍圖。整體來說，這本書的深度和廣度都遠遠超齣瞭我的預期，它不僅是一本教材，更像是一本高級研究手冊。